KR101982280B1 - 적층된 구조를 가지는 직물 기반의 에너지 제너레이터 - Google Patents
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Abstract
적층된 구조를 가지는 직물 기반의 에너지 제너레이터가 개시된다. 개시된 에너지 제너레이터는 서로 이격되게 배치되며 유연하고 신축성을 가지는 적어도 3개의 전극 기판과, 상기 전극 기판들 사이에 마련되는 복수의 에너지 발생층;을 구비한다. 여기서, 상기 에너지 발생층들 각각은 압전 특성을 가지는 복수의 나노 와이어 또는 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 유전성 탄성중합체를 포함한다.
Description
적층된 구조를 가지는 직물 기반의 에너지 제너레이터에 관한 것이다.
본 발명은 삼성전자가 교육과학기술부의의 국가연구개발사업인 '글로벌 프론티어 연구개발 사업'의 '나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구'의 일환으로 수행한 결과로부터 도출된 것이다.
과제고유번호: 2011-0031659
부처명: 교육과학기술부
연구사업명: 글로벌 프론티어 연구개발 사업
연구과제명: 나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구
주관기관: 삼성전자
연구기간: 2012년 09월 ~ 2013년 08월
최근에는 입을 수 있는(wearable) 컴퓨터 등과 같이 유연하고(flexible) 신축성이 있는(stretchable) 소자 등에 대한 개발이 활발히 진행되고 있는 바, 이러한 유연하고 신축성이 있는 전자 소자를 구현하기 위해서는 적절한 용량의 전기에너지를 공급하는 에너지 제너레이터가 필요하게 된다. 단단한 소재 위에 제작되는 에너지 제너레이터는 유연성 및 신축성이 떨어지기 때문에 유연하고 신축성이 있는 전자 소자와 함께 사용되기가 어려우며, 또한 소형화 및 경량화가 요구되는 전자기기에도 사용되기가 어렵다는 단점이 있다. 한편, 최근에는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 이슈화로 떠오르고 있다. 이러한 에너지를 하베스팅 하는 소자들은 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 새로운 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다. 또한, 최근에는 나노기술의 발달로 인해 주변 환경으로부터 전기 에너지를 하베스팅할 수 있는 나노 시스템을 이용하여 유연하고 신축성있는 에너지 제너레이터 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
적층된 구조를 가지는 직물 기반의 에너지 제너레이터를 제공한다.
일 측면에 있어서,
서로 이격되게 배치되며, 유연하고(flexible) 신축성을 가지는(stretchable) 적어도 3개의 전극 기판; 및
상기 전극 기판들 사이에 마련되는 복수의 에너지 발생층;을 구비하고,
상기 에너지 발생층들 각각은 압전 특성을 가지는 복수의 나노 와이어(nano wire) 또는 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer)를 포함하는 에너지 제너레이터가 제공된다.
상기 에너지 발생층들 모두는 상기 나노 와이어들을 포함하거나 또는 상기 에너지 발생층들 모두는 상기 유전성 탄성중합체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 에너지 발생층들 중 적어도 하나는 상기 나노 와이어들을 포함하고, 다른 상기 에너지 발생층들은 상기 유전성 탄성중합체를 포함할 수 있다.
상기 전극 기판들 각각은 유연하고 신축성을 가지는 직물(textile)과, 상기 직물 상에 코팅된 전극층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전극층은 예를 들면, Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 상기 전극 기판들은 각각 대략 10% ~ 100%의 신장률(elongation percentage)을 가질 수 있다.
상기 나노 와이어들은 예를 들면, ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 유전성 탄성중합체는 예를 들면, 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber) 및 공중합체(copolymer)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생층이 상기 복수의 나노와이어를 포함하는 경우, 상기 나노 와이어들의 일단과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하는 전극 기판의 표면에는 절연층이 더 마련될 수 있다. 여기서, 상기 절연층은 예를 들면, 고분자 계열의 물질을 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생층이 상기 유전성 탄성중합체를 포함하는 경우, 상기 에너지 발생층은 유전특성 향상물질을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 유전특성 향상물질은 단일벽 나노튜브(SWNT), 다중벽 나노튜브(MWNT), 카본 입자(Carbon Particle), 아크릴계 고분자 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생층이 상기 유전성 탄성중합체를 포함하는 경우, 상기 에너지 발생층은 상기 유전성 탄성중합체 내에 함침된(embedded) 압전 물질을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전 물질은 나노 입자(Nano particle), 나노 와이어(Nano wire), 나노 로드(Nano rod), 나노 파이버(Nano fiber) 또는 나노 플라워(Nano flower)의 형태를 가질 수 있다.
상기 에너지 제너레이터는 직조된 직물(woven fabrics) 형태를 포함할 수 있다. 상기 전극 기판들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
실시예들에 따른 에너지 제너레이터는 압전 특성을 가지는 복수의 나노 와이어 또는 유전성 탄성중합체를 포함하는 복수의 에너지 발생층이 적층된 탠덤(tandem) 구조를 가짐으로써 출력 전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 직물 기반의 에너지 제너레이터는 그 유연하고 신축성이 있는 특징에 의하여 입을 수 있는(wearable) 전자소자나 대면적의 건축물 등과 같이 주변 환경을 이용할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터(100)의 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 에너지 제너레이터(100)의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 직물 기반의 에너지 제너레이터(100)는 두 개의 단위 에너지 발생소자들(110,120)이 적층된 탠덤(tandem) 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 에너지 제너레이터(100)는 서로 이격되게 배치되는 제1, 제2 및 제3 전극 기판(111,121,131)과, 상기 제1 및 제2 전극 기판(111,121) 사이 및 상기 제2 및 제3 전극 기판(121,131) 사이에 각각 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층을 포함한다.
상기 제1, 제2 및 제3 전극 기판(111,121,131)은 유연하고 신축성이 있는 직물 기반의 기판들이다. 상기 제1 전극 기판(111)은 유연하고 신축성이 있는 제1 직물(112)과, 상기 제1 직물(112) 상에 코팅된 제1 전극층(113)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극 기판(121)은 유연하고 신축성이 있는 제2 직물(122)과, 상기 제2 직물(122) 상에 코팅된 제2 전극층(123)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3 전극 기판(131)은 유연하고 신축성이 있는 제3 직물(132)과, 상기 제3 직물(132) 상에 코팅된 제3 전극층(133)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극층(113,123,133)은 예를 들면, Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 제1, 제2 및 제3 전극 기판(111,121,131)은 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1, 제2 및 제3 전극 기판(111,121,131)은 대략 10% ~ 100%의 신장률을 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 전극 기판(111,121) 사이에는 압전 특성을 가지는 복수의 제1 나노와이어(115)를 포함하는 제1 에너지 발생층이 마련되어 있으며, 상기 제2 및 제3 전극 기판(121,131) 사이에는 압전 특성을 가지는 복수의 제2 나노와이어(125)를 포함하는 제2 에너지 발생층이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 나노와이어(115,125)는 예를 들면, ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 나노와이어들(115,125)은 각각 제1 및 제2 전극(111,121) 기판 상에 수직 또는 경사지게 성장 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 나노와이어들(115,125)은 예를 들면, CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 수열법(Hydrothermal method) 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 나노와이어들(115,125)은 대략 1:20 ~ 1:100 정도의 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 나노와이어들(115,125)의 상단들은 각각 제2 및 제3 전극 기판(121,131)의 하면과 접촉하여 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제2 및 제3 전극 기판(121,131)의 하면에는 각각 전극 기판들(111,121,131) 사이의 절연을 위한 제1 및 제2 절연층(124,134)이 더 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 절연층(124,134)은 유연하고 신축성이 있는 고분자 계열의 물질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 상기 제1 나노와이어들(115)이 외부의 힘에 의해 변형됨에 따라 그 양단 간에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 따른 출력 전압이 제1 및 제2 전극 기판(111,121) 사이에서 얻어질 수 있다. 또한, 상기 제2 나노와이어들(125)이 외부의 힘에 의해 변형됨에 따라 그 양단 간에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 따른 출력 전압이 제2 및 제3 전극 기판(121,131) 사이에서 얻어질 수 있다. 여기서, 상기 전극 기판들(111,121,131) 사이는 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기한 에너지 제너레이터(100)는 유연성 및 신축성을 가지고 있으므로, 직조된 직물(woven fabrics) 형태로 제작될 수 있다. 한편, 상기 에너지 제너레이터(100)는 직조되지 않은 형태로 제작될 수도 있다. 이상에서는 에너지 제너레이터(100)가 2개의 단위 에너지 발생소자(110,120)가 적층된 탠덤 구조를 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 상기 에너지 제너레이터(100)는 3개 이상의 단위 에너지 발생소자들이 적층된 탠덤 구조를 가질 수도 있다. 도 3에는 4개의 단위 에너지 발생소자들(110',120',130',140')이 적층된 탠덤 구조를 가지는 직물 기반의 에너지 제너레이터(100')가 예시적으로 도시되어 있다.
이상과 같이, 상기한 직물 기반의 에너지 제너레이터(100,100')는 압전 특성을 가지는 복수의 나노 와이어(115,125)를 포함하는 에너지 발생층들이 적층된 탠덤(tandem) 구조를 가짐으로써 출력 전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 직물 기반의 에너지 제너레이터(100,100')는 그 유연하고 신축성이 있는 특징에 의하여 입을 수 있는(wearable) 전자소자 등과 같이 주변 환경을 이용할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터(200)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 에너지 제너레이터(200)는 두 개의 단위 에너지 발생소자들(210,220)이 적층된 탠덤(tandem) 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 에너지 제너레이터(200)는 서로 이격되게 배치되는 제1, 제2 및 제3 전극 기판(211,212,213)과, 상기 제1 및 제2 전극 기판(211,212) 사이와, 상기 제2 및 제3 전극 기판(212,213) 사이에 각각 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층을 포함한다. 상기 제1 전극 기판(211)은 유연하고 신축성이 있는 제1 직물(212)과, 상기 제1 직물(212) 상에 코팅된 제1 전극층(213)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극 기판(221)은 유연하고 신축성이 있는 제2 직물(222)과, 상기 제2 직물(222) 상에 코팅된 제2 전극층(223)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3 전극 기판(231)은 유연하고 신축성이 있는 제3 직물(232)과, 상기 제3 직물(232) 상에 코팅된 제3 전극층(233)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극층(213,223,233)은 예를 들면, Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극 기판(211,212,213)은 대략 10% ~ 100%의 신장률을 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 전극 기판(211,221) 사이에는 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 제1 유전성 탄성중합체(215)를 포함하는 제1 에너지 발생층이 마련되어 있으며, 상기 제2 및 제3 전극 기판(221,231) 사이에는 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 제2 유전성 탄성중합체(225)를 포함하는 제2 에너지 발생층이 마련되어 있다. 상기 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(215,225)는 신장이나 수축 등과 같은 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 물질로서, 예를 들면, 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber) 및 공중합체(copolymer)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 상기 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(215,225)는 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 유전성 탄성중합체(215)가 외부의 힘에 의해 신장되거나 수축됨에 따라 발생되는 출력 전압이 제1 및 제2 전극 기판(211,212) 사이에서 얻어질 수 있다. 또한, 상기 제2 유전성 탄성중합체(225)이 외부의 힘에 의해 신장되거나 수축됨에 따라 발생되는 출력 전압이 제2 및 제3 전극 기판(212,213) 사이에서 얻어질 수 있다. 상기 전극 기판들(211,221,231) 사이는 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(215,225)는 후술하는 유전특성 향상물질(도 1의 315b,325b)을 포함함으로써 전기에너지의 발생을 보다 증대시킬 수도 있다.
상기한 에너지 제너레이터(200)는 유연성 및 신축성을 가지고 있으므로, 직조된 직물(woven fabrics) 형태로 제작될 수 있다. 한편, 에너지 제너레이터(200)는 직조되지 않은 형태로 제작될 수도 있다. 한편, 이상에서는 에너지 제너레이터(200)가 2개의 단위 에너지 발생소자들(210,220)이 적층된 탠덤 구조를 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 상기 에너지 제너레이터(200)는 3개 이상의 단위 에너지 발생소자들이 적층된 탠덤 구조를 가질 수도 있다. 이상과 같이, 직물 기반의 에너지 제너레이터(200)는 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 유전성 탄성중합체(215,225)를 포함하는 에너지 발생층들이 적층된 탠덤 구조를 가짐으로써 출력 전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 직물 기반의 에너지 제너레이터(200)는 그 유연하고 신축성이 있는 특징에 의하여 입을 수 있는 전자소자 등과 같이 주변 환경을 이용할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터(300)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 에너지 제너레이터(300)는 두 개의 단위 에너지 발생소자들(310,320)이 적층된 탠덤(tandem) 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 에너지 제너레이터(300)는 서로 이격되게 배치되는 제1, 제2 및 제3 전극 기판(311,321,331)과, 상기 제1 및 제2 전극 기판(311,321) 사이와, 상기 제2 및 제3 전극 기판(321,331) 사이에 각각 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층을 포함한다. 상기 제1 전극 기판(311)은 유연하고 신축성이 있는 제1 직물(312)과, 상기 제1 직물(312) 상에 코팅된 제1 전극층(313)을 포함하고, 상기 제2 전극 기판(321)은 유연하고 신축성이 있는 제2 직물(322)과, 상기 제2 직물(322) 상에 코팅된 제2 전극층(323)을 포함하며, 상기 제3 전극 기판(331)은 유연하고 신축성이 있는 제3 직물(332)과, 상기 제3 직물(332) 상에 코팅된 제3 전극층(333)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극층(313,323,333)은 예를 들면, Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극 기판(311,321,331)은 대략 10% ~ 100%의 신장률을 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 전극 기판(311,321) 사이에 마련되는 제1 에너지 발생층은 제1 유전성 탄성중합체(315)와 제1 압전 물질(315a)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 및 제3 전극 기판(321,331) 사이에 마련되는 제2 에너지 발생층은 제2 유전성 탄성중합체(325)와 제2 압전 물질(325a)을 포함할 수 있다. 한편, 유전 특성, 즉 유전율의 향상을 위해 상기 제1 및 제2 에너지 발생층은 각각 제1 및 제2 유전특성 향상물질(315b,325b)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(315,325)는 신장이나 수축 등과 같은 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있으며, 상기 제1 및 제2 압전 물질(315a,325a)은 압력에 의해 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 압전 물질(315a,325a)은 각각 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(315,325) 내에 함침되어(embedded)되어 있을 수 있다. 상기 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(315,325))는 예를 들면, 천연고무, 실리콘 고무, 아크릴 고무 및 공중합체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 제1 및 제2 압전 물질(315a,325a)은 예를 들면, ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT(lead zirconate titanate), PVDF(polyvinylidene flouride) 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 압전 물질(315a,325a)은 각각 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(315,325) 내에서 예를 들면, 나노 입자(Nano particle), 나노 와이어(Nano wire), 나노 로드(Nano rod), 나노 파이버(Nano fiber) 또는 나노 플라워(Nano flower) 등의 형태로 함침되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 나노 와이어는 예를 들면, 대략 1:20 ~ 1:100 정도의 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 그리고, 상기 나노 로드는 상기 나노 와이어보다 낮은 종횡비를 가지며, 상기 나노 파이버는 상기 나노 와이어 보다 큰 종횡비를 가질 수 있다. 도 5에는 상기 제1 및 제2 압전 물질(315a,325a)이 각각 제1 및 제2 유전성 탄성중합체(315,325) 내에 나노 입자의 형태로 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 상기 제1 및 제2 유전특성 향상물질(315b,325b)은 예를 들면, 단일벽 나노튜브(SWNT), 다중벽 나노튜브(MWNT), 카본 입자(Carbon Particle), 아크릴계 고분자 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극 기판들(311,321,331) 사이는 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기한 에너지 제너레이터(300)는 유연성 및 신축성을 가지고 있으므로, 직조된 직물(woven fabrics) 형태로 제작될 수 있다. 한편, 에너지 제너레이터(300)는 직조되지 않은 형태로 제작될 수도 있다. 한편, 이상에서는 에너지 제너레이터(300)가 2개의 단위 에너지 발생소자들(310,320)이 적층된 탠덤 구조를 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 상기 에너지 제너레이터(300)는 3개 이상의 단위 에너지 발생소자들이 적층된 탠덤 구조를 가질 수도 있다. 이상과 같이, 상기 에너지 발생층들은 유전성 탄성중합체(315,325) 뿐만아니라 압전 물질 또는 압전 물질(315a,325a) 및 유전특성 향상물질(315b,325b)을 더 포함함으로써 보다 많은 전기에너지를 얻을 수 있으며, 이러한 에너지 발생층들이 적층되어 탠텀 구조의 에너지 제너레이터(300)를 구현함으로써 출력 전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 직물 기반의 에너지 제너레이터(300)는 그 유연하고 신축성이 있는 특징에 의하여 입을 수 있는 전자소자 등과 같이 주변 환경을 이용할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 직물 기반의 에너지 제너레이터(400)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 에너지 제너레이터(400)는 두 개의 단위 에너지 발생소자들(410,420)이 적층된 탠덤 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 에너지 제너레이터(400)는 서로 이격되게 배치되는 제1, 제2 및 제3 전극 기판(411,421,431)과, 상기 제1 및 제2 전극 기판(411,421) 사이 및 상기 제2 및 제3 전극 기판(421,431) 사이에 각각 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층을 포함한다. 상기 제1 전극 기판(411)은 유연하고 신축성이 있는 제1 직물(412)과, 상기 제1 직물(412) 상에 코팅된 제1 전극층(413)을 포함하고, 상기 제2 전극 기판(421)은 유연하고 신축성이 있는 제2 직물(422)과, 상기 제2 직물(422) 상에 코팅된 제2 전극층(423)을 포함하며, 상기 제3 전극 기판(431)은 유연하고 신축성이 있는 제3 직물(432)과, 상기 제3 직물(432) 상에 코팅된 제3 전극층(433)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극층(413,423,433)은 예를 들면, Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 전극 기판(411,421,431)은 대략 10% ~ 100%의 신장률을 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 및 제2 전극 기판(411,421) 사이에 마련되는 제1 에너지 발생층은 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 유전성 탄성중합체(415)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 에너지 발생층은 압전 물질(415a)이나 또는 압전 물질(415a) 및 유전특성 향상물질(415b)을 더 포함할 수 있다. 상기 유전성 탄성중합체(415)는 신장이나 수축 등과 같은 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 그리고, 상기 압전 물질(415a)은 압력에 의해 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 여기서, 상기 압전 물질(415a)은 유전성 탄성중합체(415) 내에 함침되어되어 있을 수 있다. 상기 유전성 탄성중합체(415)는 예를 들면, 천연고무, 실리콘 고무, 아크릴 고무 및 공중합체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 압전 물질(415a)은 예를 들면, ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 압전 물질(415a)은 유전성 탄성중합체(4151) 내에서 예를 들면, 나노 입자, 나노 와이어, 나노 로드, 나노 파이버 또는 나노 플라워 등의 형태로 함침되어 있을 수 있다. 상기 유전특성 향상물질(415b)은 예를 들면, 단일벽 나노튜브(SWNT), 다중벽 나노튜브(MWNT), 카본 입자(Carbon Particle), 아크릴계 고분자 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 유전성 탄성중합체(415)가 외부의 힘에 의해 신장되거나 수축됨에 따라 발생되는 출력 전압이 제1 및 제2 전극 기판(411,421) 사이에서 얻어질 수 있다.
제2 및 제3 전극 기판(421,431) 사이에 마련되는 제2 에너지 발생층은 압전 특성을 가지는 복수의 나노와이어(425)를 포함한다. 여기서, 상기 나노와이어(425)는 예를 들면, ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 나노와이어들(425)은 대략 1:20 ~ 1:100 정도의 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 나노와이어들(425)의 상단들은 각각 제3 전극 기판(431)의 하면과 접촉하여 쇼트키 컨택을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제3 전극 기판(431)의 하면에는 제2 및 제3 전극 기판(421,431) 사이의 절연을 위한 절연층(434)이 더 형성될 수 있다. 상기 절연층(434)은 유연하고 신축성이 있는 고분자 계열의 물질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 상기 나노와이어들(425)이 외부의 힘에 의해 변형됨에 따라 그 양단 간에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 따른 출력 전압이 제2 및 제3 전극 기판(421,431) 사이에서 얻어질 수 있다. 상기 전극 기판들(411,421,431) 사이는 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기한 에너지 제너레이터(400)는 유연성 및 신축성을 가지고 있으므로, 직조된 직물(woven fabrics) 형태로 제작될 수 있다. 한편, 에너지 제너레이터(400)는 직조되지 않은 형태로 제작될 수도 있다. 한편, 이상에서는 에너지 제너레이터(400)가 2개의 단위 에너지 발생소자들(410,420)이 적층된 탠덤 구조를 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 상기 에너지 제너레이터(400)는 3개 이상의 단위 에너지 발생소자들이 적층된 탠덤 구조를 가질 수도 있다. 이 경우, 단위 에너지 발생소자들을 구성하는 에너지 발생층들 중 적어도 하나는 압전 특성을 가지는 복수의 나노와이어를 포함하고, 다른 에너지 발생층들은 유전성 탄성중합체를 포함할 수 있다.
이상과 같이, 압전 특성을 가지는 복수의 나노와이어(425)를 포함하는 에너지 발생층과 유전성 탄성중합체(415)를 포함하는 에너지 발생층이 적층되어 탠텀 구조의 에너지 제너레이터(400)를 구현함으로써 출력 전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 직물 기반의 에너지 제너레이터(400)는 그 유연하고 신축성이 있는 특징에 의하여 입을 수 있는 전자소자 등과 같이 주변 환경을 이용할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,100',200,300,400... 에너지 제너레이터
110,120,110',120'130',140'... 에너지 발생유닛
111,211,311,411... 제1 전극 기판 112,212,312,412... 제1 직물
113,213,313,413... 제1 전극층 115,125,425... 나노 와이어
121,221,321,421... 제2 전극 기판 122,222,322,422... 제2 직물
123,223,323,423... 제2 전극층 131,231,331,431... 제3 전극 기판
132,232,332.432... 제3 직물 133,233,333,433... 제3 전극층
124,134,434... 절연층 315,325,415... 유전성 탄성중합체
315a,325a,415a... 압전 물질 315b,325b,415b... 유전특성 향상물질
110,120,110',120'130',140'... 에너지 발생유닛
111,211,311,411... 제1 전극 기판 112,212,312,412... 제1 직물
113,213,313,413... 제1 전극층 115,125,425... 나노 와이어
121,221,321,421... 제2 전극 기판 122,222,322,422... 제2 직물
123,223,323,423... 제2 전극층 131,231,331,431... 제3 전극 기판
132,232,332.432... 제3 직물 133,233,333,433... 제3 전극층
124,134,434... 절연층 315,325,415... 유전성 탄성중합체
315a,325a,415a... 압전 물질 315b,325b,415b... 유전특성 향상물질
Claims (17)
- 서로 이격되게 배치되며, 유연하고(flexible) 신축성을 가지는(stretchable) 적어도 3개의 전극 기판; 및
상기 전극 기판들 사이에 마련되는 복수의 에너지 발생층;을 구비하고,
상기 에너지 발생층들 중 하나는 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer) 및 상기 유전성 탄성중합체 내에 함침되는(embedded) 압전 물질을 포함하며,
상기 에너지 발생층들 중 다른 하나는 압전 특성을 가지는 복수의 나노 와이어를 포함하고,
상기 전극 기판들 각각은 유연하고 신축성을 가지는 직물(textile)과, 상기 직물 상에 코팅된 전극층을 포함하고,
상기 압전 물질은 ZnO, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하며,
상기 나노 와이어들의 일단과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하는 전극 기판의 표면에는 절연층이 마련되는 에너지 제너레이터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극층은 Au, Ag, Cu 및 Ni으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 기판들은 각각 10% ~ 100%의 신장률(elongation percentage)을 가지는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노 와이어들은 ZnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT, PVDF 및 PVDF 공중합 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전성 탄성중합체는 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber) 및 공중합체(copolymer)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 에너지 제너레이터. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 절연층은 고분자 계열의 물질을 포함하는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 발생층들 중 하나는 유전특성 향상물질을 더 포함하는 에너지 제너레이터. - 제 11 항에 있어서,
상기 유전특성 향상물질은 단일벽 나노튜브(SWNT), 다중벽 나노튜브(MWNT), 카본 입자(Carbon Particle), 아크릴계 고분자 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 에너지 제너레이터. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 물질은 나노 입자(Nano particle), 나노 와이어(Nano wire), 나노 로드(Nano rod), 나노 파이버(Nano fiber) 또는 나노 플라워(Nano flower)의 형태를 가지는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 제너레이터는 직조된 직물(woven fabrics) 형태를 포함하는 에너지 제너레이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 기판들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 에너지 제너레이터.
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-
2012
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20140055150A (ko) | 2014-05-09 |
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